CENTRALS ELÈCTRIQUES I TÈRMIQUES

Índex

Definició d'Energia........................................................................................................2

Treball i Calor.......................……………...…………………………………………..........3

Unitats d'Energia..........................................................................................................4

Fonts d'Energia............................................................................................................6

Energia del combustibles fóssils..................................................................................7

Energia Geotermica .....................................................................................................8

Centrals elèctriques......................................................................................................9

Centrals tèrmiques.....................................................................................................12

Centrals Geotérmiques...............................................................................................13

Centrals Termoelèctriques.........................................................................................14

1 - Definició d'Energia

La energia es una propietat de tot cos o sistema material en virtut de la qual aquest pot transformar-se, modificant el seu estat o posició, així com actuar sobre altres originant en ells processos de transformació.

• La energia pot tenir distints orígens y, depenent de ells se li denomina de una forma o una altre:

• Energia cinètica: Associada al moviment de los cossos

• Energia potencial: Associada a la posició dins de un campo de forces.

• Energia interna: Associada a la temperatura de los cossos.

• Energia lluminosa: Associada a la radiació solar.

• Energia nuclear: Associada a los processos de fusió (unió de nuclis) o fissió (ruptura de nuclis) que tenen lloc en el interior de los àtoms.

La energia presenta tres propietats bàsiques:

• L'energia total d'un sistema aïllat es conserva. Per tant en l'Univers no pot existir creació o desaparició d'energia.

• L'energia pot transmetre's (transferir-se) d'uns cossos, o sistemes materials, a uns altres.

• L'energia pot transformar-se d'unes formes a unes altres.

-2-2 - Treball i Calor

L'energia pot transferir-se entre els sistemes. Aquesta transferència es produeix mitjançant interaccions entre els cossos o sistemes provocant canvis en els mateixos. Les interaccions poden ser diferents i, per tant, els canvis o transformacions que produeixen també.

2.1 - Interacció mecànica: Treball.

Quan la interacció és de tipus mecànic, és a dir, mitjançant l'actuació d'una força, com en els exemples citats, la transferència d'energia entre un cos i un altre es denomina TREBALL.

Mentre es realitza treball sobre un cos, es produeix una transferència d'energia al mateix, pel que pot dir-se que el treball és energia en trànsit.

2.2 - Interacció tèrmica: Calor.

Quan interaccionen dos cossos o sistemes que es troben a diferents temperatures, com en els exemples de les fotos, la transferència d'energia que es produeix es denomina calor.

La calor és energia en trànsit, és a dir, energia que sempre flueix d'una zona de major temperatura a una altra de menor temperatura, amb el que eleva la temperatura de la segona i redueix la de la primera. En els exemples anteriors, l'aigua o el refresc (major temperatura) cedeixen energia al gel (menor temperatura). La conseqüència és que l'aigua o el refresc baixen la seva temperatura."En el llenguatge quotidià" diem que l'aigua "es refreda".

De manera inversa, el Sol, en l'altre exemple, (major temperatura) transfereix energia a l'aigua del mar (menor temperatura) i l'aigua augmenta la seva temperatura o, com se sol dir, "s'escalfa".

-3-3 - Unitats de l'Energia

Tant per a l'energia com el treball i la calor, que són energia en trànsit, s'empra la mateixa unitat en el Sistema Internacional d'unitats (SI) el juliol (J) definit com el treball realitzat per la força de 1 newton quan es desplaça el seu punt d'aplicació 1 metre.

En física nuclear s'utilitza com unitat el electrónvoltio (eV) definit com l'energia que adquireix un electró al passar d'un punt a un altre entre els quals hi ha una diferència de potencial de 1 volt.

La seva relació amb la unitat del SI és:

1 eV = 1'602 · 10-19 J

Per a l'energia elèctrica s'empra com unitat de producció el kilovatio-hora (KW·h) definit com el treball realitzat durant una hora per una màquina que té una potència de 1 kilowatt.

1 kW·h = 36 · 105 J

Per a la calor s'empra també una unitat denominada caloria (cal) que es defineix com "l'energia (calor) necessària per a elevar la temperatura en 1ºC a la massa de 1 gram d'aigua pura".

1 cal = 4'186 J

-4-

Per a poder avaluar la qualitat energètica dels diferents combustibles s'estableixen unes unitats basades en el poder calorífic de cadascun d'ells. Les més utilitzades en economia energètica són kcal/kg, tec i tep.

• kcal/kg aplicada a un combustible ens indica el nombre de kilocalorías que obtindríem en la combustió de 1 kg d'aquest combustible.

• tec: tones equivalents de carbó. Representa l'energia alliberada per la combustió de 1 tona de carbó (hulla).

• 1 tec = 29'3 · 109 J

• tep: tona equivalent de petroli. Equival a l'energia alliberada en la combustió de 1 tona de cru de petroli.

• 1 tep = 41'84 · 109 J

Entre el tep i el tec existeix l'equivalència:

1 tep = 1'428 tec

-5-4 - Fonts d'Energia

Cridem font d'energia a un sistema natural el contingut energètic del qual és susceptible de ser transformat en energia útil.

Un aspecte important a tractar és conèixer quins són les fonts que usem per a aprofitar la seva energia, la seva utilitat, els seus avantatges i inconvenients i la seva disponibilitat.

El nostre planeta posseeix grans quantitats d'energia. No obstant això, un dels problemes més importants és la forma de transformar-la en energia utilitzable. Les fonts més buscades són les quals posseeixen un alt contingut energètic i acumulen energia en la menor quantitat de matèria possible. És el cas del petroli, carbó i gas natural. En unes altres, per contra, es troba difusa (solar, eòlica, geotèrmica, etc)

La major part de les fonts d'energia, excepte la nuclear, la geotèrmica i les marees, deriven del Sol. El petroli, el gas natural o el vent tenen el seu origen, encara que llunyà, en l'energia que prové del Sol.

Les diferents fonts d'energia es classifiquen en dues grans grups: renovables i no renovables.

• Renovables. Son aquelles fonts que no desapareixen al transformar la seva energia en útil

• No renovables. Es el sistema material que s'esgota al transformar la seva energia en útil.

-6-5 - Energia dels combustibles fòssils

És l'energia associada a l'ús del carbó, gas natural i petroli.

La forma d'energia que posseeixen els combustibles fòssils és energia interna, que podem aprofitar a partir de les reaccions de combustió.

Es pot transformar en el que habitualment es denomina energia tèrmica (calefacció), energia elèctrica, energia cinètica (a través dels motors de combustió interna), etc. És utilitzada en multitud d'aplicacions domèstiques i industrials.

-7-6 - Energia Geotèrmica

És l'energia interna i cinètica associada al vapor d'aigua que surt directament a la superfície en zones volcàniques i a l'augment de temperatura que es produeix conforme aprofundim en la superfície terrestre. Es transforma en energia elèctrica o en energia tèrmica per a calefacció.

-8-7 - Centrals Elèctriques

Una central elèctrica és una instal·lació capaç de convertir l'energia mecànica, obtinguda mitjançant altres fonts d'energia primària, en energia elèctrica.

Podem considerar que l'esquema d'una central elèctrica és:

En general, l'energia mecànica procedeix de la transformació de l'energia potencial de l'aigua emmagatzemada en un embassament; de l'energia tèrmica subministrada a l'aigua mitjançant la combustió del carbó, gas natural, o fuel, o a través de l'energia de fissió de l'urani.

Per a realitzar la conversió d'energia mecànica en elèctrica, s'empren uns generadors, més complicats que els quals acabem de veure en la pregunta anterior, que consten de dues peces fonamentals:

• El estator: Armadura metàl·lica, que roman en repòs, coberta en el seu interior per uns fils de coure, que formen diversos circuits.

• El rotor: Està en l'interior del estator i gira accionat per la turbina. Està format en la seva part interior per un eix, i en la seva part més externa per uns circuits, que es transformen en electroimants quan se'ls aplica una petita quantitat de corrent.

-9-

Quan el rotor gira a gran velocitat, a causa de l'energia mecànica aplicada en les turbines, es produeix uns corrents en els fils de coure de l'interior del estator. Aquests corrents proporcionen al generador la denominada força electromotriu, capaç de produir energia elèctrica a qualsevol sistema connectat a ell.

Com hem vist la turbina és l'encarregada de moure el rotor del generador i produir el corrent elèctric. La turbina al seu torn és accionada per l'energia mecànica del vapor d'aigua a pressió o per un doll d'aigua.

Totes les centrals elèctriques consten d'un sistema de "turbina-generador" el funcionament bàsic del qual és, en totes elles, molt semblant, variant d'unes a altres la forma que s'acciona la turbina, o sigui, dit d'una altra manera que font d'energia primària s'utilitza, per a convertir l'energia continguda en ella en energia elèctrica.

7.1 - Generadors

L'energia elèctrica es produeix en els aparells cridats generadors o alternadors.

Un generador consta, en la seva forma més simple de:

• Una espiral que gira impulsada per algun mitjà extern.

• Un camp magnètic uniforme, creat per un imant, en el seno del com gira l'espira anterior.

-10-

A mesura que l'espira gira, el flux magnètic a través d'ella canvia amb el temps, induint-se una força electromotriu, i si existeix un circuit extern, circularà un corrent elèctric.

Perquè un generador funcioni, fa falta una font externa d'energia (hidràulica, tèrmica, nuclear, etc.) que faci que la bobina giri amb una freqüència desitjada.

-11-8 - Centrals Tèrmiques

Una central tèrmica per a producció d'energia elèctrica, és una instal·lació on l'energia mecànica que es necessita per a moure el rotor del generador i per tant per a obtenir l'energia elèctrica, s'obté a partir del vapor format al bullir l'aigua en una caldera. El vapor generat té una gran pressió, i es fa arribar a les turbines perquè la seva expansió sigui capaç de moure els àleps de les mateixes.

Les denominades termoelèctriques clàssiques són de: carbó, de fuel o gas natural. En aquestes centrals l'energia de la combustió del carbó, fuel o gas natural s'empra per a fer la transformació de l'aigua en vapor.

Una central tèrmica clàssica es compon d'una caldera i d'una turbina que mou al generador elèctric. La caldera és l'element fonamental i en ella es produeix la combustió del carbó, fuel o gas.

-12-9 - Centrals Geotèrmiques

Una central geotèrmica són uneixes instal·lacions que aprofita l'energia geotèrmica per a produir energia elèctrica.

Una central geotèrmica no és sols que una central tèrmica en la qual la caldera ha estat reemplaçada pel reservori geotèrmic i en la qual l'energia és subministrada per la calor de la Terra, en comptes del petroli o altre combustibles.

-13-10 - Centrals Termoelèctriques

Es denominen centrals termoelèctriques clàssiques o convencionals aquelles centrals que produeixen energia elèctrica a partir de la combustió de carbó, fuel-óil o gas en una caldera dissenyada a aquest efecte. L'apel·latiu de "clàssiques" o "convencionals" serveix per a diferenciar-les d'altres tipus de centrals termoelèctriques (nuclears i solars, per exemple), les quals generen electricitat a partir d'un cicle termodinàmic, però mitjançant fonts energètiques distintes dels combustibles fòssils emprats en la producció d'energia elèctrica des de fa dècades i, sobretot, amb tecnologies diferents i molt mes recents que les de les centrals termoelèctriques clàssiques.

Independentment de quin sigui el combustible fòssil que utilitzin (fuel-oil, carbó o gas), l'esquema de funcionament de totes les centrals termoelèctriques clàssiques és pràcticament el mateix. Les úniques diferències consisteixen en el diferent tractament previ que sofreix el combustible abans de ser injectat en la caldera i en el disseny dels cremadors de la mateixa, que varien segons sigui el tipus de combustible emprat.

Una central termoelèctrica clàssica posseeix, dintre del propi recinte de la planta, sistemes d'emmagatzematge del combustible que utilitza (parc de carbó, dipòsits de fuel-oil) per a assegurar que es disposa permanentment d'una adequada quantitat d'aquest. Si es tracta d'una central termoelèctrica de carbó (hulla, antracita, lignit,...) és prèviament triturat en molins polvoritzadors fins a quedar convertit en una pols molt fina per a facilitar la seva combustió. Dels molins és enviat a la caldera de la central mitjançant toll d'aire precalentat. Si és una central termoelèctrica de fuel-oil, aquest és precalentat perquè fluidifiqui, sent injectat posteriorment en cremadors adequats a aquest tipus de combustible.

-14-

Si és una central termoelèctrica de gas els cremadors estan així mateix concebuts especialment per a cremar aquest combustible. Hi ha, finalment, centrals termoelèctriques clàssiques el disseny de les quals els permet cremar indistintament combustibles fòssils diferents (carbó o gas, carbó o fuel-oil, etc.). Reben el nom de centrals termoelèctriques mixtes.

Una vegada en la caldera, els cremadors provoquen la combustió del carbó, fuel-oil o gas, generant energia calorífica. Aquesta converteix al seu torn, en vapor a alta temperatura l'aigua que circula per una extensa xarxa formada per milers de tubs que cobreixen les parets de la caldera. Aquest vapor entre a gran pressió en la turbina de la central, la qual consta de tres cossos -d'alta, mitjana i baixa pressió, respectivament- units per un mateix eix.

En el primer cos (alta pressió) hi ha centenars d'àleps o taujanes de petita grandària. El cos a mitjan pressió posseeix així mateix centenars d'àleps però de major grandària que els anteriors. El de baixa pressió, finalment, té àleps encara més grans que els precedents. L'objectiu d'aquesta triple disposició és aprofitar al màxim la força del vapor, ja que aquest va perdent pressió progressivament, per la qual cosa els àleps de la turbina es fan de major grandària quan es passa d'un cos a un altre de la mateixa., Cal advertir, d'altra banda, que aquest vapor, abans d'entrar en la turbina, ha de ser curosament deshumidificat. En cas contrari, les petitíssimes gotes d'aigua en suspensió que transportaria serien llançades a gran velocitat contra els àleps, actuant com si fossin projectils i erosionant les taujanes fins a deixar-les inservibles.

El vapor d'aigua a pressió, per tant, fa girar els àleps de la turbina generant energia mecànica. Al seu torn, l'eix que uneix als tres cossos de la turbina (d'alta, mitjana i baixa pressió) fa girar al mateix temps a un alternador unit a ella, produint així energia elèctrica. Aquesta és abocada a la xarxa de transport a alta tensió mitjançant l'acció d'un transformador.

-15-

Per la seva banda, el vapor -afeblida ja la seva pressió- és enviat a uns condensadors. Allí és refredat i convertit de nou en aigua. Aquesta és conduïda altra vegada als tubs que cobreixen les parets de la caldera, amb la qual cosa el cicle productiu pot tornar a iniciar-se.

10.1 Esquema de funcionament d'una Central Termoelèctrica Clàssica

El funcionament d'una central termoelèctrica de carbó, com la representada en la figura, és la següent: el combustible està emmagatzemat en els parcs adjacents de la central, des d'on, mitjançant cintes transportadores (1), és conduït al molí (3) per a ser triturat. Una vegada polvoritzat, s'injecta, barrejat amb aire calent a pressió, en la calder< (4) per a la seva combustió.

Dintre de la caldera es produeix el vapor que acciona els àleps dels cossos de les turbines d'alta pressió (12), mitja pressió (13) i baixa pressió (14), fent girar el rotor de la turbina que es mou solidàriament amb el rotor del generador (19), on es produeix energia elèctrica, la qual és transportada mitjançant línies de transporta a alta tensió (20) als centres de consum.

-16-

Després d'accionar les turbines, el vapor passa a la fase líquida en el condensador (15). L'aigua obtinguda per la condensació del vapor se sotmet a diverses etapes d'escalfament (16) i s'injecta de nou en la caldera en les condicions de pressió i temperatura més adequades per a obtenir el màxim rendiment del cicle.

El sistema d'aigua de circulació que refrigera el condensador pot operar-se en circuit tancat, traslladant la calor extreta del condensador a l'atmosfera mitjançant torres de refrigeració (17), o descarregant aquesta calor directament al mar o al riu.

Per a minimitzar els efector de la combustió de carbó sobre el medi ambient, la central posseeix una xemeneia (11) de gran altura -les hi ha de més de 300 metres-, que dispersa els contaminants en les capes altes de l'atmosfera, i precipitadors (10) que retenen bona part dels mateixos en l'interior de la pròpia central.

10.2 - Noves Tecnologies

S'estan portant a terme investigacions per a obtenir un millor aprofitament del carbó, com són la gasificació del carbó "in situ" o l'aplicació de màquines hidràuliques d'arrencada de mineral i d'avanç continuo, que permeten l'explotació de jaciments de poc espessor o de jaciments en els quals el mineral es troba massa dispers o barrejat.

El primer dels sistemes esmentats consisteix a injectar oxigen en el jaciment, de manera que es provoca la combustió del carbó i es produeix un gas aprofitable per a la producció d'energia elèctrica mitjançant centrals instal·lades en bocamina.

El segon, a llançar potents dolls d'aigua contra les vetes del mineral, el que dóna lloc a fangs de carbó, els quals són evacuats fora de la mina per mitjans de canonades.

-17-

Altres noves tecnologies que estan sent objecte d'investigació pretenen millorar el rendiment de les centrals termoelèctriques de carbó, actualment situat entre el 30% i el 40%. Destaca entre elles la combustió del carbó en jaç fluidificat, que -segons determinades estimacions- permetria obtenir rendiments de fins al 50%, disminuint al mateix temps l'emissió de anhídrid sulfurós. Consisteix a cremar carbó en un jaç de partícules inertes (de calcària, per exemple), a través del com es fa passar un corrent d'aire. Aquesta suporta el pes de les partícules i les manté en suspensió, de manera que fa l'efecte que es tracta d'un líquid en ebullició.

Altres investigacions, finalment, intenten facilitar la substitució del fuel-oil en les centrals termoelèctriques per a contribuir a reduir la dependència respecte del petroli. Cap citar en aquest sentit projectes que pretenen aconseguir una adequada combustió de barreges de carbó i fuel (coal-oil mixture: COM) o de carbó i aigua (CAM) en les centrals termoelèctriques equipades per a consumir fuel-oil.

10.3 - Les Centrals i el Medi Ambient

Per a evitar que el funcionament de les centrals termoelèctriques clàssiques pugui danyar l'entorn natural, aquestes plantes duen incorporats una sèrie de sistemes i elements que afecten a l'estructura de les instal·lacions, com és el cas de les torres de refrigeració.

La incidència d'aquest tipus de centrals sobre el medi ambient es produeix per l'emissió de residus a l'atmosfera (procedents de la combustió del combustible) i per via tèrmica, (escalfament de les aigües dels rius per utilització d'aquestes aigües per a la refrigeració en circuit obert).

-18-

Pel que es refereix al primer dels aspectes citats, aquesta classe de contaminació ambiental és pràcticament menyspreable en el cas de les centrals termoeléctricas de gas i escassa en el cas de les de fuel-oil, però exigeix, no obstant això, l'adopció d'importants mesures en les de carbó.

La combustió del carbó, en efecte, provoca l'emissió al medi ambient de partícules i àcids de sofre. Per a impedir que aquestes emissions puguin perjudicar a l'entorn de la planta, aquestes centrals posseeixen xemeneies de gran altura -s'estan construint xemeneies de més de 300 metres- que dispersen aquestes partícules en l'atmosfera, minimitzant la seva influència. A més, posseeixen filtres electrostàtics o precipitadores que retenen bona part de les partícules volàtils en l'interior de la central. Pel que es refereix a les centrals de fuel-oil, la seva emissió de partícules sòlides és molt inferior, i pot ser considerada insignificant. Només cap tenir en conti l'emissió de sutges àcids -neutralitzats mitjançant l'addició de neutralizants de l'acidesa- i la d'òxids de sofre -minimitzada per mitjà de diversos sistemes de purificació.

Quant a la contaminació tèrmica, aquesta és combatuda especialment a través de la instal·lació de torres de refrigeració. Com s'assenyalava anteriorment, l'aigua que utilitza la central, després de ser convertida en vapor i empleada per a fer girar la turbina, és refredada en uns condensadors per a tornar posteriorment als conductes de la caldera. Per a efectuar l'operació de refrigeració, s'empren els aigües de algun riu pròxim o del mar, als quals és transmet la calor incorporada per l'aigua de la central que passa pels condensadors. Si el total del riu és petit, i a fi de evitar la contaminació tèrmica, els centrals termoelèctriques utilitzen sistemes de refrigeració en circuit tancat mitjançant torres de refrigeració.

-19-

En aquest sistema, l'aigua calenta que prové dels condensadors entra en la torre de refrigeració a una altura determinada. Es produeix en la torre un tir natural ascendent d'aire fred de manera contínua. L'aigua, a l'entrar en la torre, cau pel seu propi pes i es troba en el seva caiguda amb una sèrie de reixetes amatents de manera que la polvoritzen i la converteixen.

Cap esmentar, finalment, que diversos països -entre ells Espanya- estan desenvolupant projectes d'investigació que permeten aprofitar les partícules retingudes en els precipitadores i els efluents tèrmics d'aquestes centrals de manera positiva. Així, s'estudia la possibilitat d'emprar cendres volants, produïdes per la combustió del carbó, com material de construcció o per a la recuperació de l'alumini en forma d'alúmina. I s'utilitzen els efluents tèrmics d'aquestes plantes per a convertir en zones cultivables extensions de terrenys que abans no ho eren, o per a la criatura de determinades espècies marines, la reproducció de les quals es veu afavorida gràcies a l'augment de la temperatura de les aigües en les quals es desenvolupen.

-20-